RESULTATS ET DISCUSSION DE ZnO ET SES STRUCTURES
IV.2.4 Caractérisation des hétéro-structures n-ZnO/p-Si élaborées à différentes températures de dépôt
Dans cette dernière partie, nous présentons les caractéristiques des hétéro-structures ZnO/p-Si obtenues avec des films ZnO non dopés déposés à différentes températures. Les mesures ont été réalisées à l’obscurité.
L’image MEB de la fig.IV.19 montre, par clivage, l’aspect compacte d’une couche intrinsèque de ZnO déposée à 350 °C, sur un substrat de silicium de type p.
Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
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Fig.IV.19 Image MEB d’une hétéro-structure n-ZnO/p-Si déposée à 350 °C
IV.2.4.1 Caractéristique courant-tension (I-V)
Nous avons effectué des mesures de courant-tension (I-V) sous obscurité sur les hétéro-structures ZnO/p-Si. Sur la fig.IV.20, nous avons rapporté les caractéristiques I-V des échantillons ZnO/p-Si déposés à une température de dépôt variant de 300 à 400 °C. On observe que pour chaque température de substrat, l’hétérojonction présente un bon redressement et un faible courant inverse.
Fig.IV.20 Variation de la caractéristique I-V d’hétéro-structures n-ZnO/p-Si en
fonction de la température de dépôt des films.
ZnO
Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
130 Le tableau IV.5 récapitule les valeurs des paramètres obtenus à partir des allures de la caractéristique I-V des toutes les hétéro-structures élaborées.
Tableau IV.5 Tableau récapitulatif des paramètres obtenus à partir des caractéristiques
I-V des hétéro-structures n-ZnO/p-Si déposées à différentes températures de dépôt.
Il est clair que les allures de la caractéristique I-V des hétéro-structures de cette série présentent un comportement redresseur avec un facteur de redressement entre 9.43 et 7.24. Les valeurs du facteur d’idéalité et de la hauteur de la barrière dans cette série variant entre 2.82 - 8.10 et 0,73 - 0.94 eV respectivement. Ces valeurs sont de même ordre que celles rapportées dans la littérature [27, 33, 57]. Ce résultat peut être expliqué par l’existence des mécanismes de transport complexes attribués à l’inhomogénéité dans la hauteur de barrière, à la présence d’états d’interfaces et/ou à une couche d’oxyde sur le silicium [25]. Lorsque la densité des états de surface est suffisamment élevée, la hauteur de la barrière peut être contrôlée par les états de surface, conduisant ainsi à la valeur élevée du n [28, 29].
IV.2.4.2 Caractéristique capacité-tension (C-V)
La fig.IV.21(a) représente les caractéristiques C-V des hétéro-structures n-ZnO/p-Si déposées à différentes températures. L’augmentation observée de la capacité avec l’augmentation de la température et la diminution de la polarisation inverse peut provenir du rétrécissement de la zone de charge d’espace au voisinage de l’interface des hétérojonctions n-ZnO/p-Si sous l’effet de la température [30].
Td (°C) η n Is (A) Фb (eV)
300 8.13 8.10 3.39×10-11 0.94
350 9.43 2.82 9.44×10-8 0.73
Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
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Fig.IV.21 Variation de la caractéristique C-V (a) et 1/C2-V (b) des hétéro-structures n-ZnO/p-Si pour différentes température de dépôt.
Dans la fig.IV.21(b) nous avons représenté l’évolution de 1/C2 en fonction de la tension de polarisation inverse. D’après cette figure, on constate que la variation est linéaire ce qui implique que les jonctions de ces échantillons sont des jonctions abrupt [31].
Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
132 A partir des caractéristiques C-2-V, nous avons déduit les valeurs de la tension de bande plates Vbi (built-in voltage) et de la concentration des donneurs Nd des hétéro-structures n-ZnO/p-Si déposées à différentes températures de dépôt. Les valeurs de ces deux paramètres sont récapitulées dans le tableau IV.6.
Td (°C) Vbi (V) Nd
300 0.52 9.24×1017
350 0.64 3.11×1017
400 0.38 1.90×1017
Tableau IV.6 Tableau récapitulatif des paramètres obtenus à partir des caractéristiques
C-2-V des hétéro-structures n-ZnO/p-Si déposées à différentes températures de dépôt.
Les valeurs de Vbi sont entre 0.64 V et 0.38 V plus faible que 1.49 V, valeur rapportée dans les hétéro-structures nanocristallines ZnO/Si [58]. La tension Vbi
décroit de 0.64 V à 0.38 V lorsque la température de dépôt croit de 350 °C à 400 °C. Cette diminution est due aux mécanismes de conduction qui sont les courants tunnels gérés par la présence des états d’interface présents à l’interface ZnO/Si et leur concentration [59].
IV.2.4.3 Diagramme de bandes d’énergie de l’hétéro-structure n-ZnO/p-Si élaborée à 350 °C
La fig.IV.22 représente le schéma du diagramme de bande d’énergie de l’hétéro-structure n-ZnO/p-Si déposée à 350 °C à l’équilibre sur la base du model d’Anderson [32]. La valeur de la largeur de la bande interdite utilisée est déduite du spectre de transmittance de la fig.IV.16.
- Les valeurs du gap, de l’affinité électronique de Si et ZnO sont [33]: Eg(p-Si) = 1.12 eV, Eg(ZnO) = 3.28 eV,
χ
p-Si = 4.05 eV etχ
ZnO = 4.35 eV.- La discontinuité de la bande de conduction (offset de la bande de conduction) [34, 35]: ΔEC = EC(ZnO) – EC(p-Si) =
χ
(ZnO) –χ
(p-Si) = 0.3 eV.- la discontinuité de la bande de valence (offset de la bande de valence) [34, 35]: ΔEV = EV(ZnO) – EV(p-Si) = ΔEC + Eg(ZnO) – Eg(p-Si) = 2.46 eV.
Chapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
133
Fig.IV.22 Schéma du diagramme de bandes d’énergie de l’hétéro-structure n-ZnO/p-Si déposée
à 350 °C.
On note ici que ΔEV est plus élevé que ΔEC, ce qui signifie que seule les électrons peuvent diffuser à travers la barrière; les trous sont empêchés de circuler par une barrière plus élevée de ~ 2,46 eV. L'injection d'électrons en p-Si élargit la zone de charge d’espace dans n-ZnO et retarde l’injection de trous, ce qui conduit à un faible courant de saturation.
IV.3 Conclusion
Dans cette deuxième partie de thèse, nous avons élaboré par, la méthode spray ultrasonique, deux séries d’hétéro-structures n-ZnO/p-Si : Dans la première série, nous avons fixé la température de substrat à 350 °C et avoir varié le taux de dopage de la couche ZnO par indium de 0 à 4 %. Tandis que dans la deuxième série, nous avons déposé des hétéro-structures n-ZnO/p-Si non dopée à des températures de substrat variant de 300 °C à 400 °C.
Les couches ZnO élaborées par la technique spray pyrolyse ultrasonique sont de meilleures qualités cristallines pour des températures de substrat plutôt élevées (350-400 °C). Tous les films préparés présentent une structure hexagonale wurtzite avec [002] comme axe d’orientation préférentiel de croissance.
p-Si
n-ZnO
χ
=4.05eVχ
=4.35eV Eg=1.12eV Eg=3.28eV EC EC EV EV ΔEC=0.3eV ΔEV=2.46eV EF EFChapitre IV Résultats et discussion des structures à base de ZnO
134 Pratiquement tous les films sont transparents (85 %) quel que soit le taux de dopage et la température de substrat. La surface de tous les films est compacte, dense et rugueuse; la rugosité diminue avec l’augmentation du taux de dopage et de la température de dépôt. Plusieurs défauts intrinsèques sont présents dans les films élaborés tels que les lacunes d’oxygène, l’oxygène interstitiel et le zinc interstitiel.
Les hétéro-structures élaborées se comportent comme des diodes décrites par l’équation classique du modèle d’Anderson, dans laquelle il faut éventuellement tenir compte de la présence d’une couche d’oxyde (SiO2), d’états d’interface et de niveaux de piégeage situés plutôt coté ZnO responsables d’un courant par effet tunnel. Toutes les hétéro-structures élaborées présentent de bons paramètres électriques comparables à ceux rapportés dans la littérature.
. Bibliographie du chapitre IV
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